废水排海工程设计探讨——以广西金桂浆纸业有限公司废水排海工程设计为例

刘 铮　黄文献

废水排海工程设计探讨——以广西金桂浆纸业有限公司废水排海工程设计为例

刘 铮黄文献

（华蓝设计（集团）有限公司，广西 南宁 530011）

简述广西金桂浆纸业有限公司废水排海工程排海管道位置的选择、系统工艺设计、管道结构和稳定性设计。

深海排放；初始稀释度；放流管；扩散器；管道路由

污（废）水深海排放是合理利用海洋水体的稀释扩散作用来降低污染物浓度处理污（废）水的一种方式，使其很快降到水生生物可容忍的浓度范围，其目标是利用临海的区位优势，在满足排放标准规定的水质要求前提下，尽量使污水处理系统投资费用合理，从而达到社会、经济、环境效益的统一，符合建设节约型和环境友好型社会的宗旨。污水排海工程的设计，一般由放管线位置的确定、工程参数包括出口泵站、高位井和排海管道三部分、道结构和施工方法、腐防水设计和警戒装置设计等内容组成［1］。在污水处理工程中，应用集散控制，包括仪表检测、自动控制中央监控、工业电视监控、通讯网络、电话语音和防雷系统，为污水处理生产运行的安全性、可靠性和生产的连续性提供了保障，具有较好的效益［2］。广西金桂浆纸业有限公司废水排海工程是广西壮族自治区引进外资重点工程——“金桂浆纸业有限公司林浆纸一体化工程年产60万吨高档纸板项目”污水处理厂的附属工程。本文简要介绍广西金桂浆纸业有限公司废水排海工程设计。

1　废水排海工程概述

广西金桂浆纸业有限公司位于广西壮族自治区钦州市钦南区大榄坪地区，是林浆纸一体化生产企业。企业主要用水单元有自备热电厂、制浆生产线、纸板生产线、厂内辅助生产构筑物和办公生活区。厂区排水系统实行雨污分流，其中浆、纸生产线和其他辅助生产及生活产生的污水经厂区污水管网收集输送至厂内污水处理厂处理，而热电站产生的清洁下水经收集冷却后由专用管渠系统输送到指定区域与污水厂处理水混合，混合废水经废水排海系统输送到指定规划排污区域进行深海排放。

1.1水量水质

根据生产工艺和人员用水要求统计，项目排水量为20万m3·d-1（近期10万m3·d-1，远期20 m3·d-1），总变化系数1.2。

由厂内污水处理厂处理水和热电站清洁下水混合的废水主要污染物指标有：CODCr≤250mg·l-1、BOD≤2mg·l-1、SS≤50mg·l-1、t≤40℃、pH=6～9，符合《污水综合排放标准》GB8978-1996）要求的一级标准，同时满足《污水海洋处置工程污染控制标准》（GB18486-2001）相关条款的要求［3］。

1.2系统组成

本项目排海系统主要废水提升系统、放流管、扩散器、应急排放管和警示设备组成［4］。

2　排海管道位置的选择

2.1污（废）水混合区的选择

本项目废水为污水处理厂处理后的生产生活污水和热电站及其他用水的清洁下水混合废水，总量为20万m3·d-1。钦州市环保局给该项目下达的CODCr排放控制总量为3789.3 t·a-1。

项目拟定的混合区有两个，分别是鹿耳环江入海口和规划东航道中部。根据《广西金桂浆纸业有限公司林浆纸一体化工程年产60万吨高档纸板项目环境影响报告书》关于废水排放污染物COD对水环境的影响评价预测结果，拟定的鹿耳环江排污区域附近水动力条件差，水流扩散能力较弱，不适合大量污水排放，按如此大量污水排放将对香炉墩、麻蓝岛及鹿耳环江周围海域的水质及生态造成较大的影响。同时，关于海域水环境容量的预测结果指出鹿耳环江排污区域已无环境容量，因此环境影响评价结论指出此排污区域不适合作为本项目的排污区域。环评报告推荐废水排污区域位于东航道中部。废水排放污染物COD对水环境的影响评价预测结果显示该区域水动力为较强区域，水流扩散能力较强，当项目废水达标排放时涨潮期和落潮期COD浓度大于4 mg·l-1的影响面积分别为0.54km2、0.11km2，污染影响范围小，对海域相邻区水环境功能、海域红树林等环境保护项目基本没有影响。依据关于该海域水环境容量的预测结果，东航道中部海域水环境容量约1500万t·a-1（CODMn），该区域是钦州市海洋功能区划的排污区，海水水质按 《海洋水质标准》（GB3097-1997）划分属于第三类。因此环境影响评价结论指出此区域适合作为项目处理达标废水的深海排放排污区域。工程设计根据环评结论污水混合区设置在东航道中部附近海域。

另外，设计确定混合区具体位置时同时考虑了以下因素和条件：混合区中心起点离海岸低潮线至少200m；常年水深7m以上；海底稳定、海域开阔、海底面状单一，易于管道施工等。

2.2管道路由的确定

路由的选择应根据海洋功能区划的要求和有利于排海管道路由区的环境保护及邻近海域的可持续发展的原则，按照管道工程科学性、可靠性、经济性要求通过比选确定最佳路由。本设计拟定3个路由方案，通过路由勘察、管道路由海洋环境影响评价、钦州港大榄坪工业区和钦州港保税区规划评审，确定了最终路由方案。该方案从高位井到东航道中部指定混合区扩散器末端总长约8.7km，陆域段700m，潮汐作用段2900m，淹没段主要满足以下条件：

（1）路由经现状陆域部分满足城市路网规划布置要求；

（2）路由经现状海域部分没有海洋特别保护区和其他重要生态环境区；

（3）路由区域海底地质构造稳定，面状单一，适合工程施工。

3　系统工艺设计

3.1工艺流程

该工程具体的工艺流程如图1所示。

图1　工艺流程图

3.2扩散器设计

3.2.1类型

按布置类型扩散器分I型、T型和Y型三种，根据洋流方向，海底地形地貌等条件综合考虑选用。

本设计选择的排放点处洋流主要方向为西北——东南向回荡，与放流管末段布置方向基本垂直，较适合用西北——东南向I型扩散器。但从海底地形图上看现场海底地形情况是海底深槽分布为西北——东南向，而东北——西南向地形起伏变化较大，采用直线型布置扩散器时开挖工程量较大，而且扩散器被流沙回淤堵塞的可能性较大，因此本工程扩散器布置为西北——东南向，与规划码头岸线平行，可采用T型扩散器或I型扩散器。由于采用T型扩散器时有一半扩散段处于保税区建设范围内，对后期的管理有影响，因此，本设计最终采用I型扩散器。

3.2.2长度

扩散器长度计算如公式（1）所示：

Q——污水排放量（m3·s-1）；

g'——折减加速度（m·s-2），g'=（ρa-ρ0）g/ρ0，海水密度取aρ=1.026×103kg ·m-3，0ρ污水密度取0.999×103kg·m-3；

Sc——憩潮时羽流轴线处的起始稀释度，与初始稀释度S1的关系如公式（2）所示：

h——污水排放深度（m）；

u——洋流流速（m·s-1）；

由于现状海底地形限制，扩散器以多年平均潮位确定排放深度为7.0m，根据《污水海洋处置工程污染控制标准》（GB18486-2001）中第三类海域初始稀释度≥45倍的要求，确定排放长度为480m，计算得出当放流管流量Q平均= 2.315m3·s-1时，实际初始稀释度1S为55.24倍，当Q最大= 2.778 m3·s-1时，实际初始稀释度1S为48.68倍，满足各种排放条件下初始稀释度要求。

3.2.3截面形式、竖管、喷孔和冲洗设施

喷孔数目hLmD/3=，喷口流速应足够使佛汝德数Fr＞1.0。扩散器喷口数目取240个，喷孔口径为80mm，喷孔出口安装鸭嘴形止回阀；采用60根竖管，竖管间间距为8m，竖管管径为DN200，每根竖管排4个喷孔；扩散器主干管分为6级截面递减形式，每段约80m。扩散器末端设置J型管和冲洗拍门。

3.3放流管设计

3.3.1管长

从高位井出口到扩散器起点，全长8.21km。

管径取1600mm，计算得出v平均=1.15m·s-1，v最大=1.40m·s-1，满足经济流速要求。

3.3.2管材及接口

采用焊接钢管（Q235B），壁厚14mm（按规范应不小于D/100，优化计算后取值），焊接接口，管道附件及阀门处采用焊接法兰接口。

3.3.3敷设方式

陆域部分埋管；排海管道海域部分常规敷设方式主要有海底表面敷设、顶管和开槽埋管等，根据本项目管道路由勘察结果，路由范围主要以志留系砂岩为主，表面覆盖较薄淤泥或淤泥质砂，砂岩质地较坚硬，如果采用顶管或开槽埋管方式，工作难度大，工程费用难控制，因此选用海底表面敷设方式，按管道设计坡度对路由进行清表、修坡、换填，使满足管道安装的要求。

3.3.4施工方法

淹没段采用分段对接下水、浮拖、灌水整体下沉方案，分段间的接头采用密封式钢浮箱水面对接；潮汐作用段由于水深浅，而且管道布置可能高出目前水域海床，不适宜采用浮拖法施工，采用围堰干地常规施工；陆域部分采用开槽埋管法施工。

3.3.5其他

管道横断面位置满足现状及规划道路管线位置布置要求；纵断面布置最小纵坡为0.5‰；平面转弯时管道夹角大于120°。

3.4高位井设计

高位井是联系提升泵站和放流管的调节构筑物，设有溢流设施。高位井的设计最高运行水位通过公式（3）计算：

∑h——放流管和扩散器的沿程和局部水头损失

H特征潮位——潮位特征值

h剩余——扩散器喷口的剩余水头

hc——密度差水头

hc=h淹没（ρa-ρ0）

h淹没——出现特征值潮位时排放口的淹没深度a

ρ——海水密度0

ρ——废水密度

本设计通过比较“平均流量+历史最高潮位”和“最大流量+重现期10a高潮位”两个组合计算得出的最高运行水位，取其中较大值作为设计最高运行水位。

3.5废水提升泵站设计

根据设计流量和最高运行水位进行提升泵站的设计。设备设计选型满足水量变化的要求（按纸板项目建设进度计划，近期排水量Q=10万/d，远期排水量Q=20万/d）。泵站设置事故排放口。

3.6事故排放管设计

事故排放管是作为污水在排海管道或提升泵站出现事故时提供一个泻水出口，是排海工程的一个应急方案。事故排放管分别连接泵站事故排放口和高位井溢流井，管径同放流管，管材选用排水用钢筋混凝土承插管，排出口为规划确定、环保部门认可的地点。

4　排海管道结构和稳定性设计

4.1配重和锚固

放流管最大水下深度为8～9m，管道稳定性以波浪力影响为主，海流力为辅，设计主要考虑波浪力的影响，兼顾海流力的影响因素。波浪重现期为50年的设计波要素。根据《海底管道稳定性设计》中简化静力稳定性分析方法计算得出：在管道常年淹没段，按15t·（25m）-1进行配重；在潮汐作用段按7.5t·（2m）-1进行配重。配重块使用混凝土预制块。

在潮汐作用段，退潮时管道露出水面，管道内可能出现部分空管现象，涨潮管道受到的浮力最大，管底摩擦力最小，本工程采用配重块加锚杆固定措施，锚杆间距20m，以防止管道出现横向位移。

扩散器段管道采用0.5m厚砂、碎石包保护，再覆盖0.3m厚块石层。扩散管道尾部设置抛石护坦，并设加固桩，加固桩系浮标作为警示标志，以防过往船舶破坏扩散管。

4.2防腐处理

排海管道（钢管）防腐措施一般采取三种形式：外防腐、电化学保护和内防腐。本项目管道外防腐采用环氧煤沥青五油两布，内防腐采用环氧煤沥青厚浆防腐涂料（一底三油）。电化学保护采用牺牲阳极的阴极保护，设计保护年限30年。阳极材料为AL-Zn-In-Cd，A21I-4型，海洋工程设施用牺牲阳极块，表面积S=0.628m2，净重55kg，安装方式为焊接，安装间距24m。

4.3温度应变处理

由于管道安装时间和使用时间的气温不同，钢管安装时受温度的影响较大，热胀冷缩，特别是长距离的钢管敷设，伸缩量较明显。本项目主要影响管段为潮汐作用段，根据以下公式（4）计算伸缩量：

L为钢管长度；

Δt为温度变化差值（℃），Δt=t-t2，t为管道的最高温度或最低计算温度，t2管道的安装温度；

α为线膨胀系数，钢为1.2×10-5（℃-1）。

根据计算结果本工程的排海管道在陆上部分、潮汐作用部分及海底部分各安装一个非标准的单法兰管道伸缩接头，单个伸缩量为250mm，压力等级为0.25MPa。

5　设计小结

本废水排海项目设计主要关键点在于管道路由的确定和排海管道管材的选择。前者受环境容量、海洋功能区划、城市规划、地形地质条件、水深、水动力等综合因素的控制，选取合适位置有相当的难度，需通过大量前期工作的积累和总结。后者直接影响工程的可靠性和经济性，一般排海管道管材可采用钢管、混凝土管、塑料管；本工程采用钢管是结合地形地质条件采用表面敷设方式后确定的，由于是长距离输送管线，混凝土管接口多，可靠性相对降低，而塑料管弹性模量大，温度荷载应变大，需要增加较多的管道附件，同时塑料管自重较轻，表面敷设时为保证管道稳定性，配重需要大幅增加。确定了两个关键点后，其他设计工作就可以根据关键点确定的原则进行技术细节设计。

［1］ 陆斌.嘉兴市污水排海工程的设计［J］.中国给水排水，2004，1（20）：58-61.

［2］ 赵颖然.集散控制系统在嘉兴市污水处理工程中的应用［J］.电气技术，2006，（4）：47-50.

［3］ 张中和.给水排水设计手册（第5册）：城镇排水［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004：564-565.

［4］ 刘灿生.给水排水工程施工手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1994：250-255.

Discussion on the design of wastewater discharge project——Taking wastewater discharge project design of Guangxi Jingui pulp & Paper Co. Ltd. as an example

This paper briefly introduces the choice of the location of the pipeline， design of the system， structure and stability of the pipeline in the wastewater discharge project of Guangxi Jingui pulp & Paper Co. Ltd.

Deep sea discharge； initial dilution； outfall； diffuser； pipeline routing

X52

A

1008-1151（2016）02-0036-03

2016-01-15

刘铮（1975－），男，广西梧州人，华蓝设计（集团）有限公司工程师，研究方向为给水排水工程；黄文献（1979－），男，广西南宁人，华蓝设计（集团）有限公司高级工程师，研究方向为给水排水工程。